CN102513686A - 超声波焊头、具有超声波焊头的超声波焊接设备及使用该超声波焊接设备焊接电池极耳的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超声波焊头，所述超声波焊头自底部向顶部呈渐缩锥形结构，且焊头顶部为一平面。本发明还涉及一种设置有所述超声波焊头的超声波焊接设备。利用本发明的超声波焊接设备进行焊接时，能够一次性焊接多层极耳，且能够保证不会压穿任何一片极耳，又可达到焊接牢固的功效。此外，还能够保证焊接后内阻无任何变化。本发明还提供了一种利用所述超声波焊接设备焊接电池极耳的方法。

Description

超声波焊头、具有超声波焊头的超声波焊接设备及使用该超声波焊接设备焊接电池极耳的方法

技术领域

本发明涉及一种焊头及焊接设备，尤其涉及一种应用于电池极耳焊接领域的超声波焊头及超声波焊接设备。

本发明还涉及一种焊接电池极耳的方法，尤其涉及一种使用超声波焊接设备焊接电池极耳的方法。

背景技术

  一般而言，电池的组成主要包括电池壳体、电池芯、电池芯盖。其中，电池芯主要由电解液与电池芯结构所构成，而电池芯结构主要由正极、负极、隔离膜等材料构成，电解液则充斥在电池壳体与电池芯结构之间。其中，隔离膜将电池芯结构中的正极与负极隔开，防止短路。将电池芯结构置入电池壳体中，再将电池芯盖与电池壳体以焊接等方式密合后，最后将电解液注入电池内，即完成电池的主要制造流程。

  具体来说，随着对于能源的不同需求，人们开发出了许多不同种类的电池，如镍氢电池、镍镉电池、锂离子电池等。其中锂离子电池因其优越的性能（如电压高、比能量大、循环寿命长、安全性能好等）而得到人们广泛的应用。锂离子电池又可分为多种，如锂钴电池(LiCoO₂)、锂锰电池(LiMnO₂)、锂镍电池(LiNiO₂)及磷酸铁理电池(LiFePO₄)等，上述分类是根据锂离子电池正极材料的不同而做出的。

  目前，电池的形状一般分为圆柱型（Cylinder）与方型（Prismatic）两种形状，而电池的形状涉及到电池芯结构的制成与设计。针对圆柱型电池，其电池芯结构通常为卷绕体，而对于方型电池，其电池芯结构通常为叠片体。叠片体的制程主要有三种:Z字型叠片法、隔离膜制袋法、隔离膜切片法。

下面以Z字型叠片法为例，对叠片体的制程进行一下简要的说明，该方法的主要流程为：首先，配制用于形成电极表面的活性材料层的悬浮液，将悬浮液涂覆到电极的主表面上，然后经过干燥并压制以制造电池的正极极片和负极极片。将正极极片和负极极片相互配合使得活性材料层相互面对，同时在正极极片和负极极片之间放置一具有弹性薄膜特性的隔离膜。沿着正极极片和负极极片的标记区域将正极极片和负极极片弯曲成垂直截面为Z字形。由于隔离膜具有弹性薄膜特性且夹在正极极片和负极极片之间，因此，隔离膜也被弯曲成与正极极片和负极极片相同的形状。以上即为Z字型叠片法的主要制程。

对于电池内部一般采用叠片技术，将电池的正极极片和负极极片叠成叠片体，其中一种叠片方式可将正极极片之极耳和负极极片之极耳都置于同方向，位于左右两侧。由于多片正极极片之极耳必须彼此间电性相连，而多片负极极片之极耳必须彼此间电性相连，故常用的连接方法主要为超声波焊接法。

当超声波作用于金属片表面时，会产生每秒几万次的高频振动，这种达到一定振幅的高频振动，通过上焊件把超声能量传送到焊区，由于焊区即两个焊接的交界面处声阻大，因此会产生局部高温。由于产生的高温一时还不能及时散发，聚集在焊区，致使两个金属片的焊接部位的接触面迅速熔化，加上一定压力后，使其融合成一体。当超声波停止作用后，让压力持续几秒钟，使其凝固成型，这样就形成一个坚固的分子链，达到焊接的目的，焊接强度能接近于原材料强度。超声波焊接的好坏取决于换能器焊头的振幅，所加压力及焊接时间等三个因素，焊接时间和焊头压力是可以调节的，振幅由换能器和变幅杆决定。这三个量相互作用有个适宜值，能量超过适宜值时，被焊物的熔解量就大，且易产生变形；若能量小，则不易焊牢，所加的压力也不能太大。这个最佳压力是焊接部分的边长与边缘每1mm的最佳压力之积。        

超声波焊接的优点在于快速、节能、熔合强度高、导电性好、电阻系数极低或近乎零、焊接时间短、不需任何助焊剂，气体，焊料、无火花、接近冷态加工；缺点是所焊接金属件不能太厚（一般小于或等于5mm）、焊点位不能太大、需要加压。当然将正极极片之极耳和负极极片之极耳连接在一起的方式还有锁螺丝法和铆接法。

目前的电池芯外壳包装技术可粗分为两种，一种软包法，一种为硬壳法。如果对于电池内部采用叠片技术，通过超声波焊接将正极极片之极耳焊接在一起，且同样对于负极极片之极耳也用超声波焊接焊接在一起，则会涉及到将多层极耳焊接在一起的问题。目前所使用的超声波焊接设备主要为超声波焊头为网状多点型的焊接设备。研究表明，如果所焊接的极耳过多（如超过60片），尤其是负极极片之极耳过多则会产生超声波焊负极焊不牢的问题，这主要是因为负极材料通常是铜镀镍，对于这种负极因为有两种金属，要焊在一起比较困难。此外，更重要的原因是目前超声波焊头的结构还存在一定的缺陷，研究表明，网状多点型之超声波焊头一般进行超声波焊接时都焊得牢，但一旦遇到叠片数量太多之叠片体，焊接该数量之负极极片之极耳时就会有焊不牢之问题。

有鉴于此，有必要对现有的超声波焊头的结构予以改进，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种超声波焊头，利用本发明涉及的超声波焊头对多片电池的极耳进行焊接时，能够将多片极耳牢固的焊接在一起，解决了多片极耳时焊不牢的问题，且由于本发明涉及的超声波焊头的顶部为一平面，故在焊接时不会压穿任何一片极耳，对极耳起到了保护作用。

本发明的另一个目的在于提供一种具有所述超声波焊头的超声波焊接设备，所述超声波焊接设备利用所述超声波焊头进行焊接，不但能够将多片极片的极耳焊接在一起，而且不会压穿任何一片极耳。

本发明还提供了一种利用上述超声波焊接设备对电池极耳进行焊接的方法，该方法不但能够将多片极片的极耳焊接在一起，而且不会压穿任何一片极耳。

为实现上述发明目的之一，本发明的一种超声波焊头，所述焊头自其底部向顶部呈渐缩锥形结构，且焊头顶部为一平面。

作为本发明的进一步改进，所述锥形为多棱锥形。

作为本发明的进一步改进，所述顶部平面呈四边形。

作为本发明的进一步改进，所述四边形的边长范围为0.8~1.2mm。

作为本发明的进一步改进，所述焊头自底部至顶部的高度范围为1.8~2.0mm。

为实现上述发明目的之一，本发明的一种超声波焊接设备包括上模块，所述上模块上设置有凸台，所述凸台上分布有若干超声波焊头。

作为本发明的进一步改进，所述若干超声波焊头呈两排平行设置，且每排包括7个焊头，或者所述超声波焊头呈三排平行设置，且每排包括5个焊头。

为实现上述发明目的之一，本发明的一种超声波焊接设备焊接电池极耳的方法，该方法包括如下步骤：

a.提供一定数量的堆叠在一起的带有金属极耳的极片；

b.操作所述焊接设备，使设备的若干超声波焊头压紧所述金属极耳；

c.启动焊接设备，使所述一定数量的金属极耳焊接在一起，所述金属极耳的焊接区域根据所述若干焊头所围成的区域来确定。

作为本发明的进一步改进，所述一定数量的范围为60~200个。

 作为本发明的进一步改进，步骤a中所述金属极耳上镀有另一种金属。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：由于本发明涉及的超声波焊头是锥形结构，且所述超声波焊头的顶部为平面，所以利用本发明的超声波焊头进行焊接时，能够一次性焊接更多层极耳，也使由复合金属层构成的极耳更容易焊接在一起，且能够保证不会压穿任何一片极耳，又可达到焊接牢固的功效。此外，还能够保证焊接后内阻无任何变化。

附图说明

图1为本发明的超声波焊头的一具体实施方式的侧视图；

图2为图1中所示超声波焊头的俯视图；

图3为本发明的超声波焊头的的另一具体实施方式的俯视图；

图4为本发明的超声波焊接设备一具体实施方式的立体图；

图5为图4中所示的超声波焊接设备的侧视图；

图6为图4中所示的超声波焊头的局部放大图；

图7为图4中所示的超声波焊头的仰视图；

图8为本发明一具体实施方式中的超声波焊接设备焊接电池极耳的平面示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细的描述，但这些实施例并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据实施例所作出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

超声波焊接法是利用高频振动波传递到两个需焊接的金属表面，在加压的情况下，使两个金属表面相互摩擦，瞬间产生高温，进而形成分子层之间的熔合，使之焊接在一起。故超声波焊接可以将多层极耳溶解后合为一体，其优点在于快速、节能、熔合强度高、导电性好、电阻系数极低或近乎零、焊接时间短、不需任何助焊剂，气体，焊料、无火花、接近冷态加工；缺点是所焊接金属件不能太厚（一般小于或等于5mm）、焊点位不能太大、需要加压。

如图1所示，本发明的实施例中将超声波焊头100设计成方锥形，其高度h1范围为1.8~2.0mm。将超声波焊头设计成方锥形结构，是因为从焊头的加工、使用寿命以及使用效果来看，方锥形结构是最为理想的结构。方锥形的焊头在焊接电池极耳时，能够嵌入多层电池极耳，且焊头嵌入的椎体高度达到1/3左右。

如图2所示，本实施例的方锥形焊头的顶部为长方形平面101，具有长方形平面的超声波焊头因顶部为平面故不会压穿任何一片电池极耳，又可达到焊接牢固的功效。

如图3所示的另一实施例，与上一实施例的主要区别在于：本实施例将超声波焊头200的顶部设计成正方形平面202，所述正方形平面的边长h2范围为0.8~1.2mm。此边长范围所决定的顶部平面的面积为本实施例的优选范围，因为如果顶部平面面积太大会出现焊不牢的现象，面积太小又会容易折断。

为了更好的理解本发明的超声波焊接设备，下面结合具体实施例进行详细说明。

超声波焊接设备的组成结构比较复杂，一般由气压传动系统、控制系统、超声波发生器、换能器及工具头和机械装置等组成。以下主要介绍设置有超声波焊头的上模块。

 如图4所示，本实施方式中超声波焊接设备包括上模块1，所述上模块呈两旁挖掉的圆柱状，所述上模块的两侧设置有凸台11，所述凸台上分布有若干超声波焊头111。

 如图5所示，在本实施例中，所述若干超声波焊头的数量为14，且所述超声波焊头分为相同数量的两排，即2×7个，各超声波焊头之间等间距排列。各超声波焊头的顶部表面与中间间隔的表面构成一矩形112，所述矩形的宽为W，长为L，则所述矩形的面积为W×L，亦为实际焊接的面积，焊接后电池极耳会依Ｗ×L的焊接面积而溶接在一起。

在实践中，实际的焊接面积依据产品的过电流需求，对应到电池极耳所需的宽度来决定。所需焊接面积换算出来后，才决定要几排几个超声波焊头去形成这样的面积。在其它实施例中，还可设置每排５个，共３排的超声波焊头的排列方式。

如图６所示，为本实施例涉及的超声波焊头的局部放大图，所述超声波焊头为自底部向顶部呈渐缩的方锥形，顶部为平面，由此超声波焊头焊接的电池极耳能够牢固的焊接在一起，且由于超声波焊头的顶部为平面，故电池极耳不会被压穿，得到了很好的保护，且方锥形的超声波焊头能够焊接多层电池极耳。但应当说明的是，方锥形的超声波焊头并不是对本发明的限制，凡具有类似结构特征的焊头，如顶部为平面的多棱锥（如三棱锥、五棱锥、六棱锥等）均属于本发明的保护范围。实验表明，三棱锥形超声波焊头在焊接时，较易发生极耳压穿现象；五棱锥形和六棱锥形的焊接效果都不如方锥形超声波焊头，因此方锥形是最为理想的超声波焊头结构。

如图7所示，所述超声波焊接设备的上模块底部还设有一个盲孔12，所述盲孔将上模块与超声波焊接设备的其他部件连接在一起。

本发明还提供了一种利用所述超声波焊接设备焊接电池极耳的方法，下面结合具体实施方式对发明进行详细的描述。

如图8所示，表示的是利用所述超声波焊接设备焊接电池极耳的示意图，为了突出本发明的技术特点，现仅给出超声波焊接设备的部分结构，即上模块2，所述上模块上设有超声波焊头21。上模块的下方为若干堆叠成的待焊接电池极耳3，所述电池极耳放置于超声波焊接设备的下模块4上，所述下模块的作用为配合上模块将待焊接电池极耳固定住。

焊接时，将超声波焊接设备按照图示中箭头的方向压紧电池极耳，启动超声波焊接设备，各电池极耳之间在高频振动波和压力作用下相互摩擦，形成分子层之间的融合，进而焊接在一起。

所述若干电池极片的数量的范围为60~200个，故各极片之极耳数量的范围亦为60~200个。

本实施例中电池极耳包括电池内正极极片之极耳和负极极片之极耳。其中，正极极片之极耳由单一金属构成，而负极极片之极耳由两种金属构成，如负极极片之极耳为镀有金属镍的铜片，可称铜镀镍极耳。

下面，结合实验数据对方锥形超声波焊头的技术效果进行进一步说明。

实验一

       准备70片铜镀镍极耳，记为A组，准备同样的70片铜镀镍极耳，记为B组。将A组铜镀镍极耳用传统的网状多点型超声波焊头进行焊接，将B组用上述实施方式中的方锥形超声波焊头进行焊接。待焊接完毕，对已焊接在一起的A组铜镀镍极耳施加相反方向的拉力，对B组铜镀镍极耳进行同样的操作，得到如下实验结果：

表1

       根据上述实验数据可以看出，相对于利用传统网状多点型超声波焊头焊接的铜镀镍极耳来讲，把利用方锥形焊头焊接在一起的铜镀镍极耳分开，需要更大的拉力才能做到。因此，方锥形焊头能够将电池极片的极耳牢固的焊接在一起，克服了传统的网状多点型超声波焊头焊接多层铜镀镍极耳焊不牢的问题。

实验二

       首先，利用电池内阻测量设备测量未焊接极耳前电池芯盖的内阻，获得测量值为：0.13~0.18mΩ。利用本发明涉及的方锥形超声波焊头对电池极耳进行焊接，利用同样的电池内阻测量设备测量极耳焊接与电池芯盖的内阻，获得测量值为：0.13~0.18 mΩ。由此实验结果可知，利用本发明涉及的方锥形超声波焊头进行焊接可保证焊接前后内阻无任何变化。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种超声波焊头，其特征在于：所述焊头自底部向顶部呈渐缩锥形结构，且焊头顶部为一平面。

2.根据权利要求1所述的超声波焊头，其特征在于：所述锥形为多棱锥形。

3.根据权利要求1或2所述的超声波焊头，其特征在于：所述顶部平面呈四边形。

4.根据权利要求3所述的超声波焊头，其特征在于：所述四边形的边长范围为0.8~1.2mm。

5.根据权利要求1所述的超声波焊头，其特征在于：所述焊头自底部至顶部的高度范围为1.8~2.0mm。

6.一种设置有如权利要求1~5任一项所述的超声波焊头的超声波焊接设备，其特征在于：该设备包括上模块，所述上模块上设置有凸台，所述凸台上分布有若干超声波焊头。

7.根据权利要求6所述的超声波焊接设备，其特征在于：所述若干超声波焊头呈两排平行设置，且每排包括7个焊头，或者所述超声波焊头呈三排平行设置，且每排包括5个焊头。

8.一种采用如权利要求6所述的超声波焊接设备焊接电池极耳的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

a.提供一定数量的堆叠在一起的带有金属极耳的极片；

b.操作所述焊接设备，使设备的若干超声波焊头压紧所述金属极耳；

c.启动焊接设备，使所述一定数量的金属极耳焊接在一起，所述金属极耳的焊接区域根据所述若干焊头所围成的区域来确定。

9.根据权利要求8所述的超声波焊接设备焊接电池极耳的方法，其特征在于：

所述一定数量的范围为60~200个。

10.根据权利要求8所述的超声波焊接设备焊接电池极耳的方法，其特征在于：步骤a中所述金属极耳上镀有另一种金属。

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